公差國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中與軸承配合的殼體孔偏差溫升補(bǔ)償研究

文/湯學(xué)華 徐榮華 張貽杰

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，軸承的使用也隨之增多。同樣型號(hào)的軸承，由于使用材料和場(chǎng)合的不同，決定了某些使用配合會(huì)有所變化，而軸承的使用范圍又十分廣泛，上至軍用航空等高精技術(shù)領(lǐng)域，下至我們?nèi)粘Ｉ钪械拿裼迷O(shè)備中都必不可少。但目前國(guó)內(nèi)采用的與軸承配合的殼體孔標(biāo)準(zhǔn)中考慮的因素不全。目前在選擇軸承外圈與殼體孔的公差配合時(shí),只能參考沒(méi)有計(jì)算方式的“GB/T 1801-2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）極限與配合公差帶和配合的選擇》公差與配合尺寸至500mm孔、軸公差帶配合”及“GB/T 275-1993滾動(dòng)軸承與軸和外殼的配合”等。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中殼體孔的公差帶代號(hào)主要考慮軸承所受負(fù)載的性質(zhì)和大小，只提到當(dāng)軸處于高溫場(chǎng)合時(shí)，可以選擇代號(hào)G。

但在軸處于高溫場(chǎng)合時(shí)，還有其他許多因素需要考慮，例如此時(shí)殼體孔的溫升值、軸承和殼體孔配合的基本尺寸、它們材料的熱膨脹系數(shù)，這些都會(huì)影響到它們之間的熱變形量，并破壞其配合性質(zhì)。

由此我們發(fā)現(xiàn)如果不從熱變形對(duì)配合性質(zhì)的影響方面作一定的研究，那么國(guó)產(chǎn)軸承受熱變形的影響可能不只降低一些使用壽命，而是在使用初期就直接出現(xiàn)故障，造成無(wú)法工作。本論文主要是針對(duì)軸承外圈與殼體孔在受熱變形后的配合性質(zhì)進(jìn)行研究并給出其計(jì)算結(jié)果，根據(jù)此計(jì)算結(jié)果反推其在室溫裝配時(shí)所需要的配合尺寸。

一、技術(shù)方案

在工作時(shí)由于軸承和殼體孔受熱變形的影響而使其配合發(fā)生變化，導(dǎo)致工作時(shí)的配合性質(zhì)不能滿足使用要求。故計(jì)算時(shí)算出受熱變形的影響量（影響熱變形量的主要因素是溫升范圍、軸承基本尺寸和材料的熱膨脹系數(shù)），本論文是對(duì)溫升一致的情況和材料熱膨脹系數(shù)不同的情況進(jìn)行定性的分析和計(jì)算，裝配時(shí)在原配合的基礎(chǔ)上預(yù)留此影響量，使得軸承和殼體孔在實(shí)際工作時(shí)受熱變形影響后仍能保證其原要求的配合性質(zhì)。

當(dāng)殼體孔材料選定后,設(shè)殼體孔的工作溫升值為A1，軸承的工作溫升值為A2，作為溫度基本計(jì)算數(shù)據(jù)A1、A2，軸承鋼熱膨脹系數(shù)為b，殼體孔材料熱膨脹系數(shù)為c，軸承外圈直徑為D。首先根據(jù)軸承基本尺寸和精度等級(jí)確定軸承的公差帶并由此選取殼體孔的公差帶，再根據(jù)其工作情況確定其為間隙配合，由軸承的基本尺寸D、正常工作時(shí)溫升值A(chǔ)1、A2和材料的熱膨脹系數(shù)b、c計(jì)算軸承與殼體孔在溫升范圍內(nèi)產(chǎn)生的間隙變動(dòng)量△X=D[c×10-6×A1-b×10-6×A2]，判斷是間隙減小還是增大，然后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償即修正殼體孔的上下偏差，接著用修正后的基本偏差查表“GB/T 1801公差與配合尺寸至500mm孔、軸公差帶配合”得到最終殼體孔的上下偏差及其公差帶代號(hào)。

二、應(yīng)用實(shí)例

實(shí)例1（當(dāng)軸承和殼體孔溫升情況一致時(shí)，如果殼體孔材料的膨脹系數(shù)小于軸承鋼的膨脹系數(shù)）

此時(shí)在機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)行產(chǎn)生溫升后，若軸承外圈與軸承孔的配合在最小間隙為零的狀態(tài)下，采用原標(biāo)準(zhǔn)中下偏差為零的代號(hào)，則殼體孔勢(shì)必會(huì)壓縮軸承外圈，從而減小軸承運(yùn)行內(nèi)部游隙值及應(yīng)有的潤(rùn)滑油沫層，當(dāng)軸承運(yùn)行無(wú)游隙時(shí)就會(huì)造成干摩擦加劇溫升，從而形成缺油摩損或壓縮性硬摩損損壞。

現(xiàn)按照112機(jī)座電機(jī)選用6306軸承，當(dāng)軸承材料為軸承鋼熱膨脹系數(shù)為b=12×10-6，殼體孔材料為鑄鐵件熱膨脹系數(shù)為c=8.7×10-6時(shí)，軸承外圈基本尺寸為Φ72mm、尺寸精度為G級(jí)（外圈Ф相當(dāng)于軸的公差等級(jí)為IT5級(jí)TS=0.013mm），因此取Ф72殼體孔的公差等級(jí)為IT6級(jí)TH=0.019mm。先根據(jù)軸承基本尺寸和精度等級(jí)確定軸承的公差帶并由此選取殼體孔的公差帶，再根據(jù)其工況確定其為間隙配合即初定殼體孔為，由軸承的基本尺寸Ф72、正常工作時(shí)溫升值A(chǔ)=50℃和材料的熱膨脹系數(shù)b、c計(jì)算電機(jī)軸承與殼體孔在溫升范圍內(nèi)產(chǎn)生的間隙變動(dòng)量△X=72[（c-b）×10-6×A]=72[（8.7-12）×10-6×50]mm=-0.012mm，判斷是間隙減小，然后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償即選定殼體孔為接著用補(bǔ)償后的基本偏差查表“GB 1801公差與配合尺寸至500mm孔、軸公差帶配合”得到最終的殼體孔的公差是Ф其與軸承的配合情況如圖1所示。

這樣當(dāng)工作時(shí)，產(chǎn)生的最大過(guò)盈仍能夠保證為零，使軸承外圈和殼體孔在受熱變形后其配合仍能確保正常工作。

由于下偏差存在一定的間隙值，可彌補(bǔ)一些殼體孔的圓度、徑向跳動(dòng)偏差，減少裝配沖擊力。同時(shí)初始軸承外圈無(wú)壓縮性使用，可提高軸承內(nèi)滾動(dòng)部位表面壓縮硬化的均勻性。

實(shí)例2（當(dāng)軸承和殼體孔溫升情況一致時(shí)，如果殼體孔材料的膨脹系數(shù)大于軸承鋼的膨脹系數(shù)）

此時(shí)在機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)行產(chǎn)生溫升后，若殼體孔采用原標(biāo)準(zhǔn)中下偏差為零的代號(hào)，軸承孔的膨脹勢(shì)必會(huì)大于軸承外圈，從而增大軸承外圈與軸承孔的間隙值，易引起軸承外圈旋轉(zhuǎn)及軸承孔摩損性擴(kuò)大，形成摩損性升溫，導(dǎo)致孔擴(kuò)大變形損壞。

現(xiàn)按照112機(jī)座電機(jī)選用6306軸承，當(dāng)軸承材料為軸承鋼熱膨脹系數(shù)為b=12×10-6，殼體孔材料為不銹鋼熱膨脹系數(shù)c=16.6×10-6時(shí)，軸承外圈基本尺寸為Φ72mm、尺寸精度為G級(jí)（外圈相當(dāng)于軸的公差等級(jí)為IT5級(jí)TS=0.013mm），因此取Ф72殼體孔的公差等級(jí)為IT6級(jí)TH=0.019mm。先根據(jù)軸承基本尺寸和精度等級(jí)確定軸承的公差帶并由此選取殼體孔的公差帶，再根據(jù)其工況確定其為間隙配合即初定殼體孔為，由軸承的基本尺寸Ф72、正常工作時(shí)溫升值A(chǔ)=50℃和材料的熱膨脹系數(shù)b、c計(jì)算電機(jī)軸承與殼體孔在溫升范圍內(nèi)產(chǎn)生的間隙變 動(dòng) 量 △X=72[（c-b） ×10-6×A]=72[（16.6-12） ×10-6×50]mm=0.017mm，判斷是間隙增大，然后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償即選定殼體孔為Ф，接著用補(bǔ)償后的基本偏差查表“GB/T 1801公差與配合尺寸至500mm孔、軸公差帶配合”得到最終的殼體孔的公差是Ф其與軸承的配合情況如圖2所示。

同時(shí)考慮到過(guò)盈對(duì)軸承的影響，則可在殼體孔與軸承間添加熱膨脹O形圈，達(dá)到降低受熱后振動(dòng)噪聲與避免軸承外圈旋轉(zhuǎn)，公差可根據(jù)O型圈膨脹系數(shù)與強(qiáng)度計(jì)算選擇。也可按常規(guī)裝配軸承外圈壓蓋。

實(shí)例3（當(dāng)殼體孔和軸承材料的熱膨脹系數(shù)一致時(shí)，由于熱源是從軸承傳遞到殼體孔，故此種情況只需考慮殼體孔的工作溫升值小于軸承的狀態(tài)）。

當(dāng)軸承和殼體孔材料都為軸承鋼，熱膨脹系數(shù)為b=12×10-6時(shí)，軸承的工作溫升值為A1=50℃，殼體孔的工作溫升值為A2=40℃（考慮到此時(shí)殼體孔厚度較大，熱傳遞影響不能忽略，工作溫升值取殼體孔平均值），由于工作溫升值小于軸承，最終在機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)行產(chǎn)生熱變形后，若殼體孔采用原標(biāo)準(zhǔn)中下偏差為零的代號(hào)，殼體孔勢(shì)必會(huì)壓縮軸承外圈，從而減小軸承運(yùn)行內(nèi)部游隙值及應(yīng)有的潤(rùn)滑油沫層，當(dāng)軸承運(yùn)行無(wú)游隙時(shí)就會(huì)造成干摩擦加劇溫升，從而形成缺油摩損或壓縮性硬摩損損毀。

現(xiàn)按照112機(jī)座電機(jī)選用6306軸承，軸承基本尺寸為Φ72mm、尺寸精度為G級(jí)（外圈Ф相當(dāng)于軸的公差等級(jí)為IT5級(jí)TS=0.013mm），因此取Ф72殼體孔的公差等級(jí)為IT6級(jí)TH=0.019mm。先根據(jù)軸承基本尺寸和精度等級(jí)確定軸承的公差帶并由此選取殼體孔的公差帶，再根據(jù)其工況確定其為間隙配合即初定殼體孔為Ф，由軸承的基本尺寸Ф72、正常工作時(shí)溫升值A(chǔ)1=50℃、A2=40℃和材料的熱膨脹系數(shù)計(jì)算電機(jī)軸承與殼體孔在溫升范圍內(nèi)產(chǎn)生的間隙變動(dòng)量△X=72[b×10-6×（A2-A1） ]=72[12×10-6×（40-50） ]mm=-0.009mm，判斷是間隙減小，然后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償即選定殼體孔為，接著用補(bǔ)償后的基本偏差查表“GB/T 1801公差與配合尺寸至500mm孔、軸公差帶配合”得到最終的殼體孔的公差是其與軸承的配合情況類似于圖1。

以上實(shí)例分析了軸承與殼體孔轉(zhuǎn)動(dòng)配合中，不同的配合在材料不同（即熱膨脹系數(shù)不同）、溫升值不同兩種狀態(tài)下，由于熱變形產(chǎn)生的間隙變動(dòng)量。選擇能保證其正常工作的配合為首選配合偏差依據(jù)，始終以保證軸承在有油沫狀態(tài)下的運(yùn)行，從而使產(chǎn)品達(dá)到提高無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間的目的。

三、殼體孔偏差查詢軟件

溫升補(bǔ)償雖然作為一種計(jì)算方法使用可以提高軸承與殼體孔配合的可靠性，但并不能有效地提高一線設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，為了提高設(shè)計(jì)效率，我們編寫了與此方法對(duì)應(yīng)的殼體孔偏差查詢軟件。

此軟件對(duì)有明確規(guī)定的20級(jí)標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)制作了下拉菜單供用戶選擇，對(duì)于基本尺寸≤500mm的孔的極限偏差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)可以輸入任意數(shù)值進(jìn)行計(jì)算并獲得結(jié)果。另外考慮到工作溫度的不確定性，即使極端情況工作在100℃或者-50℃都可在軟件中輸入數(shù)值并計(jì)算出此種情況下所需要的公差配合代號(hào)和等級(jí)。此軟件的最大優(yōu)點(diǎn)是使用方便，容易上手，即學(xué)即會(huì)，便于普及，只要是從事機(jī)械方面的工作人員不必通過(guò)任何培訓(xùn)便可通過(guò)軟件界面中各選項(xiàng)框的注解輕松使用。

雙擊此軟件后便會(huì)出現(xiàn)下圖所示界面：

圖3中有七個(gè)可填寫框和一個(gè)下拉選擇框，通過(guò)輸入此八項(xiàng)數(shù)值后，點(diǎn)擊OK鍵，便可得到殼體孔與軸承配合的受熱變形量、熱變形修正后的孔上下偏差和最終查表得到的殼體孔公差代號(hào)。

四、結(jié)論

對(duì)于軸承殼體公差配合選擇必須注意到工作的狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的變化，由此我們提出滿足使用要求的軸承外圈配合公差的計(jì)算方法。該方法已在上海光陸電機(jī)有限公司、浙江光陸電機(jī)有限公司、上海良機(jī)有限公司等企業(yè)中得到了應(yīng)用，通過(guò)在電機(jī)制造使用該方法確定的軸承室公差，既明顯降低了軸承使用的初始故障率，又延長(zhǎng)了軸承的使用壽命。

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